九宫山自然保护区土壤重金属含量及其分布特征研究*

汤 民，范 军，谭辉丽，杨春燕，夏 盈，周 云，陈锐凯，郝汉舟

(湖北科技学院资源环境科学与工程学院，湖北 咸宁 437100)

土壤是自然环境的重要组成部分，是与人类关系极为密切的环境介质，也是人类赖以生存和发展的重要自然资源。由于工农业、交通运输业的快速发展，人口数量的急剧增加，城市化进程的不断加快，大量的重金属通过各种途径进入土壤，使得土壤环境的安全问题日益严峻[1]。土壤一旦遭受到重金属污染就很难恢复，重金属可以通过食物链进入人体、威胁人类健康，同时会影响植物生长和区域生态系统安全[2-3]。

九宫山属于森林和野生生物类型自然保护区，境内野生动植物资源丰富，堪称珍稀濒危动植物的“天然博物馆”。2007年获批国家级自然保护区，是长江流域保存较好的动植物生态系统[4]。九宫山自然保护区风景秀丽、景观多样、交通便利，吸引了众多外地游客前来观光旅游，同时，旅游活动也会对保护区的植被、土壤、水体、野生生物和自然遗迹产生一定的影响。本研究依据土壤类型选择典型样地取样，分析了土壤重金属的含量和分布特征，对促进保护区生态环境可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 保护区自然概况

九宫山国家级自然保护区(29°19′～29°26′ N，114°27′～114°43′ E)位于湖北省咸宁市通山县境内，属幕阜山脉的一部分，总面积31125 hm2。九宫山最高峰老鸦尖1656.7 m，最低海拔117 m，海拔1000 m以上的山峰达10多座。成土母质主要是花岗岩和花岗岩麻岩。土壤类型在垂直方向上的分布有明显的规律：400 m以下为红壤，400～800 m为山地黄红壤，800～1400 m为山地黄棕壤，1400 m以上为山地矮灌草甸土。九宫山位于我国中亚热带向北亚热带的过渡地区，气候冬冷夏凉，昼夜温差大，晴雨多变，雾多湿重，日照充足。一年中最低气温在1月，极低温可达-15.3 ℃，最高气温月在7月，极高温一般低于37.5 ℃。九宫山多降雨，且多暴雨，年平均降水量1800 mm以上；相对湿度为80%～90%，年蒸发量1255 mm，无霜期248 d[5-6]。

1.2 土壤样品的采集与分析

2017年7月，利用GPS定位仪记录采样点经纬度及航迹，综合考察九宫山自然保护区的地形、地貌、气候、土壤、植被等条件后，根据土壤类型选择典型的具有代表性的样点，按土壤自然发生层次分层取样。采样过程中，去除与金属器皿接触的土壤。土样取回后均匀摊放在塑料布上，去除砾石、植物残体等杂物，自然风干1周，压碎、研磨、过60目筛，混匀后保存于清洁的磨口玻璃瓶中[7]。

土壤重金属含量测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[8]，其中Pb、Cd、Cr用王水-高氯酸消解，1∶1 HCl溶解，原子吸收分光光度法测定；As用KI、SnCl2还原，二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定；Hg用HNO3、H2SO4和KMnO4消解，冷原子吸收光谱法测定。

2 结果与讨论

2.1 土壤中5种重金属的含量

从表1可知，九宫山自然保护区土壤中5种重金属平均含量的大小顺序为：Cr>Pb>As>Hg>Cd，其中Cr的含量最高(86.24 mg/kg)，Cd的含量最低(0.03 mg/kg)。Cd的变异系数最大(56.67%)，这与其自身理化性质、在基岩和风化壳中的分布特征及植物的吸收积累有关[9]。

表1 九宫山自然保护区土壤重金属含量

与国家《土壤环境质量标准》[10](GB15618-1995)一级标准(Cd≤0.20 mg/kg、Hg≤0.15 mg/kg、As≤15 mg/kg、Pb≤35 mg/kg、Cr≤90 mg/kg)相比较，5种重金属的平均含量均低于一级标准值，处于自然背景含量水平。保护区土壤中Cr含量范围为75.94～95.1 mg/kg，在山地矮灌草甸土中Cr含量高于其他土类，这可能与成土条件、生物富集作用、土壤有机质含量有关。山地矮灌草甸土植被覆盖率高，水土流失轻，属侵蚀不显露地带，生物富集作用较强；山地矮灌草甸土的有机质含量比其他土类高，对Cr有一定的吸附固定作用[11-12]。总的来说，保护区的土壤重金属含量处于自然背景水平。

2.2 土壤重金属的分布

2.2.1 不同类型土壤中重金属的分布

由表2可知，随着土壤类型的变化和海拔的升高，Pb和Cr含量增加。Cr含量的最大值出现在山地矮灌草甸土中，为94.52 mg/kg，Pb含量在各类型土壤中的波动范围相对较小，为19.55～20.89 mg/kg，在红壤中的含量最低。山地矮灌草甸土地处相对寒冷的高山区，化学淋溶作用弱，元素迁移相对较少，故Pb和Cr含量较高。

表2 不同类型土壤中重金属含量

同时，随着海拔的升高和土壤类型的变化，Cd和Hg含量呈下降趋势，Cd随土壤类型的变化波动幅度较大，其中在山地黄红壤中呈现一定的富集现象；在红壤和山地黄红壤中Hg含量较高，在此区域内车流量要大于其它区域，车辆量的增加会使得通过灰尘、尾气排放到空气中的Hg增多，Hg可以通过大气重力沉降、湍流扩散等干湿沉降过程进入到土壤中，从而使得该海拔段土壤Hg含量相对较高[13]；As在各类型土壤中含量差异不大，分布较均匀。

2.2.2 重金属在土壤剖面中的分布

重金属元素在土壤剖面中的分布类型一般有均匀分布型、表层富集型、某一层位富集型、底层富集型和不规则分布型[9,14]。在红壤剖面中(图1)，Cd、Pb和Cr的分布属于表层富集型，由表层至深层含量减少。红壤处于低山段，途经车辆排放的尾气及各种工农业生产活动产生的灰尘可能会造成表层土壤Cd和Pb含量增加[15-16]；Hg和As含量随土层深度的增加变化不显著，各土层的含量比较均一。

图1 红壤中重金属的含量

在山地黄红壤剖面中(图2)，Cd、Pb和Cr的分布属于底层富集型，以Cr分布最为明显，自表层向下逐渐增加；Hg和As的纵向分布变化不大，属于均匀分布型。

图2 山地黄红壤中重金属的含量

从图3可看出，在山地黄棕壤中，Pb和Cr的分布规律相同，为底层富集型；Hg和As含量则表现为自表层到深层逐渐下降的趋势；Cd在剖面表层富集现象明显。

图3 山地黄棕壤中重金属的含量

在山地矮灌草甸土剖面中(图4)，随着土层深度的增加，Pb和Cr的含量逐渐增大，且在底层富集；其它重金属含量变化不大，纵向分布较均匀，其中As在20～40 cm处有富集现象。

图4 山地矮灌草甸土中重金属的含量

总的来说，不同类型土壤剖面中重金属的分布规律不同。在红壤剖面中重金属分布主要表现为表层富集和淋溶，山地黄红壤和山地黄棕壤剖面底层重金属呈较明显的富集现象，而山地矮灌草甸土剖面中重金属分布较均匀。形成上述现象的原因可能是红壤位于低山区地段，人类活动较频繁，其表层土壤重金属富集现象与人类活动干扰有关；此外，该区域高温高湿，这样的气候环境条件加速了矿物和岩石的风化作用和盐基离子强烈的淋溶作用。山地黄红壤和山地黄棕壤所处地段的植被覆盖率高，对重金属截留作用与吸附作用较强；该地段温度适宜，重金属的活性增强，加之降水量较大，淋溶作用增强，进而致使重金属在剖面底层富集。山地矮灌草甸土海拔在1400 m以上，虽降水量大，但终年温度偏低，重金属活性弱，因而重金属分布较均匀。

3 结 论

(1)九宫山自然保护区土壤重金属含量处于自然背景水平；5种重金属含量大小顺序为：Cr>Pb>As>Hg>Cd。

(2)随着海拔的升高和土壤类型的变化，Cd和Hg含量呈下降趋势，Pb和Cr含量呈升高趋势，As在各类型土壤中分布较均匀。

(3)重金属在红壤剖面中主要表现为表层富集和淋溶，在山地黄红壤和山地黄棕壤中，重金属在剖面底层富集现象明显，山地矮灌草甸土中重金属的垂直分布不明显，分布较均匀。